SF6斷路器及氣體管理

程航，王建偉，邊玉國

(1.蘭州工業高等專科學校，甘肅 蘭州 730050;2.咸陽供電公司，陜西 咸陽 712000)

1 引言

SF6斷路器是以SF6氣體作為滅弧和絕緣介質的斷路器。它與空氣斷路器同屬于氣吹斷路器，不同之處在于:①工作氣壓較低;②在吹弧過程中，氣體不排向大氣，而在封閉系統中循環使用。和真空斷路器相比，SF6開關由于其優異的電氣性能，不會產生截流。而真空開關在開斷較小電流時，往往會出現截流而產生截流過電壓，并且截流值越大，產生的過電壓越高。另外，SF6開關可通過多種途徑進行氣壓檢測和并可實現電氣或機械聯鎖，真空開關的真空度無法監視。

2 SF6氣體特性

SF6氣體在通常狀態下是一種無色、無味、無毒、不燃燒化學性能穩定的氣態物質，它的密度大約是空氣的5倍。由于其分子的負電性，具有很強的吸附自由電子而形成負離子的能力，阻礙放電的形成與發展，因而其耐電強度高，具有優異的絕緣性能，均勻電場中的介電強度約為相同氣壓下空氣的2.5～3倍;它的離解溫度低，且離解能量大，具有優異的滅弧性能，在1.01×105Pa氣壓下，SF6的滅弧性能是空氣的100倍。

在均勻電場中，如圖1所示，SF6氣體的擊穿電壓符合巴申定律，在溫度不變時，均勻電場中SF6氣體的擊穿電壓Ub是氣體壓力和電極間距離乘積pd的函數，即Ub=f(pd)。因此SF6開關在設計時要注意電場均勻程度、極間距離等要盡量合理。在制造時要特別注意電極表面狀態對擊穿電壓的影響，尤其要注意電極表面金屬微粒或灰塵會劇烈降低SF6的擊穿電壓(如圖2所示)。因此應采取各種措施使電極表面光潔程度符合設計要求;同時要保證氣壓在小于1～2MPa的范圍內(常用的氣壓范圍為0.1～0.9MPa)。

圖1 均勻電場中SF6的擊穿電壓Ub與pd的關系

圖2 自由鋁球形微粒對SF6擊穿電壓Ub的影響

3 SF6氣體管理

目前，SF6高壓斷路器已廣泛應用在 110kV、330kV等不同電壓等級的變電站，SF6開關設備的安裝、維護與檢修基本上以SF6氣體管理為中心，氣體管理得好，產品運行可靠性就高。SF6氣體管理涉及正確使用SF6高壓斷路器及對SF6的水份、雜質及密封管理等多個方面。

3.1 SF6高壓斷路器檢修質量控制

SF6斷路器的檢修應在大氣濕度低于60%的干燥天氣進行，同時注意防止灰塵、雜質和水分侵入其內部。

3.1.1 SF6氣體的回收、凈化、儲存

SF6斷路器在檢修前，應先將斷路器分閘，釋放操作機構的能量，用SF6氣體回收裝置將斷路器內的氣體回收，回收時氣體中水份和SF6氣體分解產物通過凈化器被吸附，氣室殘存氣體必須用真空泵抽出，使斷路器內真空度高于1乇。

3.1.2 滅弧室的檢修

滅弧室檢修主要是檢查噴口燒傷程度，按規定確定是否更換;相對運動的部位均涂滑脂，滅弧室部件一定要注意清潔，嚴防灰塵、水分、纖維物質等進入內部;斷路器的金屬部件可用清洗劑或汽油清洗，絕緣件應用無水酒精和丙酮清洗。

3.1.3 部件間的密封面

與SF6氣體接觸的零部件及密封圈可涂一薄層聚四氟乙烯潤滑脂，密封圈外側法蘭面應涂中性凡士林或防凍脂。密封面、槽要求光亮潔凈、無劃痕、無銹斑，并涂以適量密封脂。

3.1.4 氣室的干燥處理

斷路器氣室內的吸附劑應在解體時更換，新換上的吸附劑應先在200～300℃的烘箱中烘燥處理12小時以上，吸附劑裝入滅弧室之后，立即抽真空，以免吸附劑吸附空氣中的大量水份而失效。

3.2 SF6氣體的雜質管理

斷路器中的SF6被電弧分解后生成許多低氟化物，大多數在極短時間內復合成SF6，少量殘留在SF6氣體中。

3.2.1 回收程序

回收氣體時按下列工作程序進行:

(1)用充放氣裝置經吸附劑將斷路器氣室內的氣體回收到貯氣罐內;

(2)用壓縮機回收剩余氣體，到0.5表壓左右時，再用真空泵將其抽出經吸附劑排放到空氣中;

(3)斷路器氣室通風2小時之后，檢修人員再戴口罩或濾毒面具，戴乳膠手套開始檢修工作。

工作時盡量不讓皮膚接觸SF6分解物，分解物遇大氣中的水份后會形成氫氟酸，對皮膚有腐蝕作用。開關內殘留的分解氣體對鼻腔和人眼有刺激，接觸過多會使眼紅發炎，因此檢修時應盡量避免鼻、眼接觸SF6分解氣體。

經過活性炭過濾的SF6分解氣體，其毒性基本清除，但要注意影響吸附效果的因素，新購置的吸附劑，無包裝損壞、受潮現象時，可直接開箱使用。吸附劑在爐中降溫后取出，不可在高溫時從爐中取出，以免受潮。

3.2.2 回收氣體重新使用的可能性與必要性

斷路器在檢修時，回收的氣體經過多次吸附劑過濾之后，當SF6純度達到99.8%以上，當水份含量符合要求時，可以重新充入開關使用。對于用氣較多的SF6罐式斷路器及GIS中的斷路器，如一臺330kV SF6罐式斷路器用氣450kg，這一考慮是很有必要的。對于柱式斷路器是否必要這樣做，要綜合考慮觀場是否允許較長時間來處理氣體，要權衡一下節省氣體與停電損失的利弊。

3.3 SF6氣體的水份管理

3.3.1 水份進入開關的途徑

水份進入開關的途徑有四種:

(1)SF6氣體本身的水份;

(2)產品零部件(尤其是絕緣件)中吸附的水份;

(3)產品安裝時從大氣中帶入的水份;

(4)運行中的設備，通過密封圈向開關內部滲入的水份。

運行開關雖然內部氣壓高于大氣壓，但就水分壓而言，外部的水分壓比開關內部要大得多，如:

20℃，相對濕度為70%時，大氣水分壓為:

P1=0.7 ×23.8 ×10－3kg/cm2

=16.7 ×10－3kg/cm2

而20℃時水蒸汽的飽和氣壓為23.8×10－3kg/cm2，見表 1。

表1 水蒸汽的飽和氣壓(10－3kg/cm2)

假定額定SF6氣壓為5kg/cm2的運行開關內部的SF6含水份為100ppm(V)，內部水分壓為:

P2=5 ×100 ×10－6=0.5 ×10－3kg/cm2

內外水分壓差為:16.7×10－3/0.5 ×10－3=33 倍

如果外界相對濕度更大，氣溫更高，飽和蒸汽壓越大，水份越容易揮發，則內外水分壓差更大，水份通過密封薄弱環節進入開關內部的可能性更大。

3.3.2 水份對開關性能的影響

水份對斷路器開斷性能的影響是不容忽視。SF6被電弧分解后，主要的分解物是 SF4+，其次是SF2+、SF5+及負離子F2－、F－及SF－，在電弧電流過零之后這些正、負離子很快(0.1ms之內)復合成負電性的SF6，使開關斷口間的介質強度迅速恢復，但水份的存在，對電弧電流過零之后介質強度的恢復起阻得作用，有可能導致滿容量開斷失敗。這是由于SF4被水解(SF4+H2O→SOF2+2HF)，使斷口間重新復合的SF6分子數變少了。

水份對開關絕緣性能的影響非常明顯。當水份不足以在絕緣物表面產生凝露時，即水份氣壓低于飽和氣壓數值時，產品的絕緣性能一般不受影響。當SF6氣體含水份較重時，受潮的固體分解物呈半導體特性，使絕緣子表面絕緣電阻下降，可能導致高電壓擊穿，或者因表面絕緣能力下降而在兩端電極附近產生局部放電，時間長了也會導致貫通性閃絡。

3.3.3 水份的控制值

對于SF6高壓斷路器，各制造廠及運行部門都要求有嚴格的密封工藝，同時規定SF6氣體的含水量不得超過標準(300ppm)。運行中斷路器每年要進行水份檢測，水份要控制在規程規定范圍內。

對于剛投運的新設備或檢修后剛投運的設備，希望將水份控制到更低的水平，其必要性是考慮到開關在運行時大氣中的水份可能進入開關而使SF6的水份增加。

對于GIS的非斷路器間隔，額定運行氣壓較低，又無電弧分解物時，水份的管理值可以放得寬些(≤1000ppm)。

3.3.4 控制水份的方法

(1)另部件在檢修清擦凈后都必須在烘箱內進行干燥處理(200℃·4h)，然后才能裝于開關，并應避免在濕度大的天氣進行開關裝配。

(2)開關組裝完后，應更換活化后的或新開箱的吸附劑并立即封入開關內，抽真空至1乇后繼續再抽0.5～1h，以排除水份。

開關剛投入運行時如果水份合格，運行一段時間后水份超標，說明開關的某個密封環節可能有損壞，此時應及時安排開關停電處理。

4 結論

SF6的氣體管理是SF6開關設備管理的薄弱環節，SF6的安裝、維護與檢修必須以氣體管理為中心，做好SF6的氣體管理工作，特別控制好SF6開關設備的氣體水份，是SF6開關設備安全可靠運行的根本保證。

［1］ 尚振球，郭文元.高壓電器［M］.西安:西安交通大學，1992.

［2］ 趙誠.SF6開關裝置的水份控制及霜融水［J］.高壓電器，1999.

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